Linux hrtimer的实现

1. Linux hrtimer的实现方案

Linux hrtimer的实现是依赖硬件(通过可编程定时器来实现)的支持的，而且此定时器有自己的专用寄存器， 硬中断和频率。比如我的板子上的对应参数如下：

Timer at Vir:0xE0100200 = Phy:0xE0100200, using Irq:27, at Freq:250000000，由此可见，其频率为250MHz，所以其精度为:1/250000000=4ns，比系统时钟jiffy(HZ=100,精度为10ms)的精度高得太多了。可是支持此高精度timer是需要付出硬件成本的。即它是一个硬件时钟。这里所说的硬件时钟特指的是硬件计时器时钟。

2. 硬件时钟 数据结构
　　和硬件计时器（本文又称作硬件时钟，区别于软件时钟）相关的数据结构主要有两个：
　　struct clocksource ：对硬件设备的抽象，描述时钟源信息

1. struct clocksource {  


2.     /* 


3.      * First part of structure is read mostly 


4.      */  


5.     char *name;  


6.     struct list_head list;  


7.     int rating;  


8.     cycle_t (*read)(struct clocksource *cs);  


9.     int (*enable)(struct clocksource *cs);  


10.     void (*disable)(struct clocksource *cs);  


11.     cycle_t mask;  


12.     u32 mult;  


13.     u32 shift;  


14.     u64 max_idle_ns;  


15.     unsigned long flags;  


16.     cycle_t (*vread)(void);  


17.     void (*suspend)(struct clocksource *cs);  


18.     void (*resume)(struct clocksource *cs);  


19. #ifdef CONFIG_IA64   


20.     void *fsys_mmio;        /* used by fsyscall asm code */  


21. #define CLKSRC_FSYS_MMIO_SET(mmio, addr)      ((mmio) = (addr))   


22. #else   


23. #define CLKSRC_FSYS_MMIO_SET(mmio, addr)      do { } while (0)   


24. #endif   


25.   


26.     /* 


27.      * Second part is written at each timer interrupt 


28.      * Keep it in a different cache line to dirty no 


29.      * more than one cache line. 


30.      */  


31.     cycle_t cycle_last ____cacheline_aligned_in_smp;  


32.   


33. #ifdef CONFIG_CLOCKSOURCE_WATCHDOG   


34.     /* Watchdog related data, used by the framework */  


35.     struct list_head wd_list;  


36.     cycle_t wd_last;  


37. #endif   


38. };  

struct clock_event_device ：时钟的事件信息，包括当硬件时钟中断发生时要执行那些操作（实际上保存了相应函数的指针）。本文将该结构称作为“时钟事件设备”。

1. /** 


2.  * struct clock_event_device – clock event device descriptor 


3.  * @name:       ptr to clock event name 


4.  * @features:       features 


5.  * @max_delta_ns:   maximum delta value in ns 


6.  * @min_delta_ns:   minimum delta value in ns 


7.  * @mult:       nanosecond to cycles multiplier 


8.  * @shift:      nanoseconds to cycles divisor (power of two) 


9.  * @rating:     variable to rate clock event devices 


10.  * @irq:        IRQ number (only for non CPU local devices) 


11.  * @cpumask:        cpumask to indicate for which CPUs this device works 


12.  * @set_next_event: set next event function 


13.  * @set_mode:       set mode function 


14.  * @event_handler:  Assigned by the framework to be called by the low 


15.  *          level handler of the event source 


16.  * @broadcast:      function to broadcast events 


17.  * @list:       list head for the management code 


18.  * @mode:       operating mode assigned by the management code 


19.  * @next_event:     local storage for the next event in oneshot mode 


20.  * @retries:        number of forced programming retries 


21.  */  


22. struct clock_event_device {  


23.     const char      *name;  


24.     unsigned int        features;  


25.     u64         max_delta_ns;  


26.     u64         min_delta_ns;  


27.     u32         mult;  


28.     u32         shift;  


29.     int         rating;  


30.     int         irq;  


31.     const struct cpumask    *cpumask;  


32.     int         (*set_next_event)(unsigned long evt,  


33.                           struct clock_event_device *);  


34.     void            (*set_mode)(enum clock_event_mode mode,  


35.                         struct clock_event_device *);  


36.     void            (*event_handler)(struct clock_event_device *);  


37.     void            (*broadcast)(const struct cpumask *mask);  


38.     struct list_head    list;  


39.     enum clock_event_mode   mode;  


40.     ktime_t         next_event;  


41.     unsigned long       retries;  


42. };  


43.    

上述两个结构内核源代码中有较详细的注解，分别位于文件 clocksource.h 和 clockchips.h 中。需要特别注意的是结构 clock_event_device 的成员 event_handler ，它指定了当硬件时钟中断发生时，内核应该执行那些操作，也就是真正的时钟中断处理函数。

Linux 内核维护了两个链表，分别存储了系统中所有时钟源的信息和时钟事件设备的信息。这两个链表的表头在内核中分别是 clocksource_list 和 clockevent_devices 。 

3. hrtimer是如何实现的呢？

    下文就为之一一描述。

3.1 初始化hrtimer硬件定时器

3.1.1 设置硬件中断

     前面已经看到，它有一个硬件中断，为了使此硬件中断能正常工作，肯定需要设置一个硬件中断，其参考代码如下： 

1. static unsigned long my_timer_irqnbr = 25;  //硬件中断号   


2. static struct irqaction my_timer_irqaction = {  


3.     .name       = “My HrTimer”,  


4.     .flags      = IRQF_DISABLED | IRQF_TIMER | IRQF_IRQPOLL,  


5.     .handler    = my_timer_interrupt_handler, //中断处理函数   


6. };  


7.   


8. setup_irq(my_timer_irqnbr, &my_timer_irqaction);  

设置中断之后，中断处理函数也有了。 

3.1.2 初始化硬件时钟相关寄存器并注册此硬件时钟到系统中

1. static struct clocksource myclocksource = {  


2.     .name   = “my_hrtimer_src”,  


3.     .rating = 300,  


4.     .read   = my_get_cycles, //读取COUNT寄存器以获取cycle value   


5.     .mask   = CLOCKSOURCE_MASK(64),  


6.     .flags  = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,  


7. };  


8.   


9. static void __init my_clocksource_init(void)  


10. {  


11.     unsigned long ctrl = 0;  


12.     unsigned long count = (my_timer_freq / HZ);  


13.         …  


14.     writel(count, my_timer_vaddr + MY_TIMER_COMPARATOR_LOW);  


15.     writel(count, my_timer_vaddr + MY_TIMER_AUTO_INCREMENT);  


16.     ctrl = (MY_TIMER_CTRL_IRQ_ENA   | MY_TIMER_CTRL_COMP_ENA |  


17.             MY_TIMER_CTRL_TIMER_ENA | MY_TIMER_CTRL_AUTO_INC);  


18.     writel(ctrl, my_timer_vaddr + MY_TIMER_CONTROL);  


19.         …  


20.     clocksource_calc_mult_shift(&myclocksource, my_timer_freq, 4);  


21.           


22.         //向系统注册我的硬件时钟,即把它加入clocksource_list   


23.     clocksource_register(&myclocksource);  


24. }  

3.1.3 初始化时钟事件设备并注册到系统中

1. static struct clock_event_device myclockevent = {  


2.     .name       = “my_timer_evt”,  


3.     .features       = CLOCK_EVT_FEAT_PERIODIC,  


4.     .set_mode       = my_set_mode,  //通过写寄存器设置clock_event_mode   


5.     .set_next_event = my_set_next_event, // 通过写寄存器写下一个事件   


6.     .rating     = 300,  


7.     .cpumask        = cpu_all_mask,  


8. };  


9.   


10. static void __init my_clockevents_init(unsigned int timer_irq)  


11. {  


12.     myclockevent.irq = timer_irq;  


13.   


14.     clockevents_calc_mult_shift(&myclockevent, my_timer_freq, 4);  


15.     myclockevent.max_delta_ns = clockevent_delta2ns(0xffffffff, &myclockevent);  


16.     myclockevent.min_delta_ns = clockevent_delta2ns(0xf, &myclockevent);  


17.     //注册我的时钟事件设备，即把它加入clockevent_devices链表   


18.     clockevents_register_device(&myclockevent);  


19. }  

3.2 硬件中处理函数my_timer_interrupt_handler

1. static irqreturn_t my_timer_interrupt_handler(int irq, void *dev_id)  


2. {  


3.     struct clock_event_device *evt = &myclockevent;  


4.     /* clear the interrupt */  


5.     writel(value, register_addr);  


6.     evt->event_handler(evt);  


7.     return IRQ_HANDLED;  


8. }  

硬件中断处理函数很简单，它直接调用clockevent的event_handler函数。前面的初始化中并没有初始化此event_handler,很显然是在使用过程中进行动态初始化的。下面看看hrtimer中是如何初始化此event_handler的。

4. hrtimer如何初始化clock_event_device的event_handler?

hrtimer的中断处理函数，很自然地想到了hrtimer_interrupt，哪这个东东与clock_event_device有关系吗?

此软中断TIMER_SOFTIRQ在run_local_timers函数中通过调用raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ);来触发。(注:raise_softirq->raise_softirq_irqoff->__raise_softirq_irqoff)

init_timers(中调用open_softirq(TIMER_SOFTIRQ, run_timer_softirq);)
run_timer_softirq->
hrtimer_run_pending(Called from timer softirq every jiffy, expire hrtimers，check如果hrtimer_hres_enabled is on<=1>,则执行下面的代码切换到高精度模式)->
hrtimer_switch_to_hres->
tick_init_highres->
tick_switch_to_oneshot(hrtimer_interrupt)
<把hrtimer_interrupt赋值给dev->event_handler,即dev->event_handler = handler;>

看到没有？在每一次时钟软中断处理函数中，都会尝试把hrtimer切换到高精度模式，如果满足条件，就切换，切换之后高精度模式就被激活了，在hrtimer_run_pending检查是否被激活，如果被激活了，下面的代码就不用执行了。

5. hrtimer高精度模式下真正的中断处理函数

    hrtimer_interrupt 

6. hrtimer高精度式的触发过程

以下以nanosleep为例：

SYSCALL_DEFINE2(nanosleep, struct timespec __user *, rqtp, struct timespec __user *, rmtp)->
hrtimer_nanosleep->
do_nanosleep->
hrtimer_start_expires->
hrtimer_start_range_ns->
__hrtimer_start_range_ns->
enqueue_hrtimer(insert into rb_tree) then  hrtimer_enqueue_reprogram-> hrtimer_reprogram->
tick_program_event->
tick_dev_program_event->
clockevents_program_event->
dev->set_next_event((unsigned long) clc, dev)<调用my clock_event_device的set_next_event方法设置register>